Материал: МРБ 1073.(1984).[doc]
В.Я.Суетин
Цифровые измерительные приборы
©Издательство «Радио и связь», 1984
Предисловие
Характерной чертой развития современной радиоизмерптельной техники является все более широкое использование измерительных приборов с цифровым отсчетом не только в исследовательских и производственных условиях, но и в радиолюбительской практике.
Цифровые измерительные приборы из-за высокой точности измерешш и наглядности отсчета имеют ряд существенных преимуществ перед приборами са стрелочным указателем. Одной из тенденций развития цифровой измерительной техники является расширение функциональных возможностей измерительных приборов, когда в одном приборе содержится несколько измерителей различных величин.
В радиолюбительских условиях изготовление узкоспециализированного измерительного прибора с цифровой индикацией, например, только вольтметра или частотомера, вряд ли оправдано. Затраты достаточно велики, а эксплуатационные возможности ограничены. Предпочтение отдают универсальным цифровым измерительным приборам.
Удешевлению изготовления универсальных измерительных приборов, упрощению их схемотехники и настройки, уменьшению габаритных размеров и массы способствует использование интегральных микросхем с повышенной степенью интеграции, номенклатура которых быстро растет.
В первой главе рассмотрены функциональные узлы, на базе которых могут быть построены цифровые приборы. Описывается назначение каждого узла, принцип его работы, приводятся временные диаграммы, краткие технические характеристики, принципиальные электрические схемы, чертежи печатных плат с расположением деталей, а также рекомендации по настройке.
Во второй главе приведено несколько примеров практического построения5 радиолюбительских цифровых измерительных приборов, различных по назначению и сложности.
Многих радиолюбителей интересует изготовление легкого портативного цифрового измерительного прибора с автономным питанием. В третьей главе приведены два примера построения таких приборов, причем один из них с автоматическим переключением пределов измерения.
При разработке приборов основное внимание было обращено на возможность их повторения. В первую очередь это относится к использованию элементной базы, достаточно современной и в то же время доступной для широкого круга радиолюбителей.
Автор надеется, что для большинства радиолюбителей изготовление описанных приборов расширит их знания и кругозор, разовьет практические навыки вдохновит на дальнейшую работу в этом направлении.
Отзывы о книге просим направлять по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь».
Автор
Глава первая Функциональные узлы
Функциональные узлы, приведенные ниже, предназначены для построения различных по назначению и сложности радиолюбительских измерительных приборов с цифровым отсчетом.
Узлы выполнены на платах, изготовленных из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм печатным способом. Монтаж односторонний, реже двусторонний. Исключением является плата выпрямителей источника питания У1, которая выполнена навесным монтажом. Размеры всех плат одинаковы и составляют 106X60 мм. Соединение плат с прибором осуществляется с помо-щью разъемов МРН14-1. Это обеспечивает легкий доступ к любой детали как при настройке, так и при ремонте.
Узлы почти полностью выполнены на интегральных микросхемах, что позволяет улучшить их основные характеристики: точность, чувствительность, помехоустойчивость, компактность, а также значительно упростить настройку и ловысить надежность.
Изготовление функциональных узлов целесообразно начать с источников литания. В этом случае исчезает необходимость использования для проверки работоспособности и настройки других, не совсем подходящих источников.
Источники питания
Для питания узлов прибора выбраны два двухполярных источника питания со стабилизированными напряжениями ±5 и ±15 В. Эти источники должны обладать достаточным запасом по мощности, чтобы обеспечить их использование для работы с внешней нагрузкой при налаживании и испытании различных устройств, собранных на транзисторах, микросхемах и операционных усилителях (ОУ).
В источниках питания вырабатываются и опорные напряжения, основное назначение которых — задание стабильных опорных напряжений постоянного тока различной полярности, необходимых для работы измерительных преобразователей и питания измерительных цепей с относительно малым потребле-нием тока, например, для калибровки цифрового вольтметра постоянного тока.
Технические характеристики:
Выходное напряжение, В.......... ±5 и ±15
ТОК нагрузки, мА:
для напряжений ±5 В....... 800
для напряжений ±15 В......... 300
Нестабильность напряжения по току, %...... 0,2
Опорное напряжение, В........... ±1
Коэффициент стабилизации напряжения...... 100 — 150
Рис. 1. Принципиальная схема источника питания
Принципиальная схема источника питания, приведенная на рис. 1, состоит из двух частей: одна содержит выпрямители (узел У1), другая — стабилизаторы напряжения (узел У2).
Выпрямители и стабилизаторы имеют независимые и идентичные электрические схемы и различаются лишь значениями выходных напряжений. :Незави-симость каждой схемы позволяет наиболее просто получать как положительное, так и отрицательное напряжение.
Выпрямители собраны по двухполупериодной мостовой схеме на диодных сборках КЦ402Е. Для уменьшения пульсаций выпрямленных напряжений включены конденсаторы С1 — С4 большой емкости. Стабилизаторы напряжения выполнены на микросхемах К142ЕН1Б и К142ЕН2Б. Так как ток потребления превышает предельно допустимый ток микросхемы, регулирующий .элемент микросхемы дополнен мощным транзистором КТ803А.
Использование источников питания для подключения внешней нагрузки обусловливает необходимость введения в схему автоматической защиты от перегрузок и коротких замыканий. Пороговые значения тока перегрузки определяются сопротивлениями резисторов R1 — R4. Регулировка выходных напряжений осуществляется подстроечными резисторами R3, R7, R11 и R15.
Источники опорных напряжений выполнены на полевых транзисторах VI и V2 и транзисторных микросборках (аналоговых) А5 и А6 на плате узла У2. Полевые транзисторы выполняют роль стабилизаторов тока, мнкросборки — стабилизаторов опорного напряжения.
Рис. 2. Печатная плата стабилизатора напряжения
Плата выпрямителей У1 выполнена с использованием навесного монтажа, плата стабилизаторов напряжения У2 — печатным способом. Чертеж платы стабилизаторов напряжения и расположение на ней деталей приведены на рис. 2. По конструктивным соображениям оконечные транзисторы регулирующих каскадов вынесены на плату выпрямителей. Диодные сборки КД402Е собираются в пачку, стянутую одним винтом.
Детали. Резисторы R17, R18 типа БЛП, резисторы R3, R7, Rll, R15, R19, R20 типа СПЗ-16. Резисторы R1 — R4 проволочные типа С5-16Т, остальные — МЛТ. Резисторы Rl — R4 могут быть намотаны на каркасах высокоомным проводом диаметром 0,3 — 0,5 мм с любой изоляцией. Электролитические конденсаторы типа К50-6.
Транзисторы V5 — V8 могут быть заменены другими мощными транзисторами, например, КТ805, КТ808 с коэффициентом передачи по току не менее 50 — 70.
Трансформатор Т1 типа ТАН-28-127/220-50 мощностью 60 Вт. Использованы две обмотки 6,3 В, 1,6 А и две обмотки 16 В, 0,3 А. Остальные обмог-ки (две по 40 В и две по 56 В) в случае необходимости могут быть использованы для питания высоковольтных газоразрядных индикаторов.
Настройка источников питания сводится к установке выходных напряжений с помощью резисторов R3, R7, R11 и R15 и проверке устройств .защиты, которые должны устойчиво срабатывать при токе 1,2 А для напряжений ±5 В и 0,6 А для напряжений ±15 В. При необходимости уточняют сопротивления резисторов Rl — R4. Ток короткого замыкания каждого выхода составляет 70 мА.
Установку опорных напряжений ±1 В следует производить только при подключении внешней нагрузки — резистора сопротивлением 3,3 кОм или узла У6 (преобразователя сопротивлений и емкостей в частоту), входное сопротивление которого составляет около 3,3 кОм. При значительных отклонениях этих сопротивлений регулировку производят резисторами R19 и R20. Точную установку опорных напряжений ±1 В осуществляют цифровым вольтметром с высоким входным сопротивлением.
При отсутствии интегральных микросхем К142ЕН1 и К.142ЕН2 стабилизаторы напряжения ±15 и ±5 В можно выполнить по другим схемам с применением операционных усилителей (ОУ) или на транзисторах. Однако с применением дискретных элементов размеры платьГ возрастут. В этом случае, чтобы не нарушать общей компановки прибора, лучше выполнить стабилизаторы на-лряжения на двух платах, сохранив прежние размеры.
Преобразователь напряжение — частота
При построении комбинированных цифровых измерительных приборов — мультиметров основной задачей является приведение различных величин,. таких, как напряжение, ток, сопротивление, емкость, к унифицированной величине, чаще всего частоте. Иногда при этом используется промежуточная величина — наиболее часто напряжение постоянного тока. Задача приведения различных величин к одной решается применением преобразователей. Одним из них является преобразователь постоянного напряжения в частоту.
Рис. 3. Структурная схема преобразователя напряжение — частота
К выбору электрической схемы, выполнению и настройке этого преобразователя следует отнестись с особым вниманием, так как от него во многом зависят метрологические характеристики всего прибора в целом. Предлагаемый преобразователь напряжение — частота построен на основе интегратора с дискретной обратной связью. При подаче на вход преобразователя напряжения на его выходе появляется последовательность импульсов, частота следования которых прямо пропорциональна уровню входного сигнала. Количество импульсов на выходе преобразователя затем подсчитывается счетчиком за фиксированный интервал времени.
В основу принципа преобразования положен метод двойного интегрирования, позволяющий при сравнительно простой схеме получить высокую точность преобразования в широком диапазоне измерения напряжений.
Технические характеристики:
Входное напряжение, В............ 3
Коэффициент преобразования, кГц/В........ 10
Входное сопротивление, кОм.......... 10
Нелинейность преобразования, %......... 0,05
Измерительный интервал, с........... 0,1
Полярность входного сигнала.......... положительная
Структурная схема преобразователя (рис. 3) содержит усилитель постоянного тока УПТ, интегратор И, управляющие ключи К1 и К2, генератор импульсов ГИ, пороговое устройство ПУ и делитель частоты ДЧ. Цикл преобразования осуществляется в два такта: Т1 и Т0 (рис. 4). В течение интервала TI управляющие ключи К1 и К2 замкнуты выходным напряжением делителя ДЧ. Закрыто пороговое устройство ПУ, не пропускающее импульсы генератора ГИ на делитель частоты ДЧ.
Входной сигнал положительной полярности после усиления и инвертирования усилителем УПТ поступает через резистор R1 на инвертирующий вход интегратора И. От воздействия этого сигнала напряжение на выходе интегратора линейно возрастает. Крутизна нарастания зависит от уровня входного напряжения: чем больше Uвх, тем больше крутизна нарастания и, следовательно, меньше интервал Т1.
Рис. 4. Временные диаграммы преобразователя напряжение — частота
В момент, когда выходное напряжение интегратора достигает порогового значения Uп, срабатывает пороговое устройство ПУ, на входе 1 которого устанавливается логическая единица, разрешающая прохождение импульсов с выхода ГИ на ДЧ.
Как только через ДЧ пройдет количество импульсов, равное коэффициенту деления, изменяется состояние на выходе делителя ДЧ (в данном случае из состояния 1 в состояние 0). В этот момент такт TI заканчивается и начинается второй такт интегрирования — Т0, ключи К1 и К2 размыкаются.
С размыканием ключа К1 на вход интегратора через резистор R0 начинает поступать опорное напряжение U0. С размыканием ключа К2 на его выходе устанавливается логическая 1, которая подтверждает открытое состояние порогового устройства и удерживает его в этом состоянии, независимо от изменения напряжения на выходе интегратора. Таким образом, импульсы с выхода ГИ по-прежнему поступают на ДЧ.
Теперь на вход интегратора И поступают два напряжения: входное UBS. и опорное U0. Полярности их противоположны, а амплитуда опорного напряжения больше амплитуды входного. В результате воздействия разности напряжений UBX — Ur, изменение напряжения на выходе интегратора происходит в обратную сторону.
Заканчивается формирование интервала Т0 в тот момент, когда потенциал на гвыходе ДЧ снова изменится (теперь из состояния 0 в состояние 1). При этом замыкаются ключи К1 и К.2, прекращается поступление импульсов генератора на делитель. Преобразователь переходит в состояние интегрирования только входного напряжения. Затем процессы в схеме повторяются.
Заметим, что длительность такта Т0 не зависит от времязадающих элементов интегратора И, а определяется только частотой следования импульсов генератора Г И и коэффициентом деления делителя ДЧ. Так как частота генератора и коэффициент деления для данной схемы постоянны, то и длительность такта T0 также постоянна.
С увеличением входного напряжения UВX уменьшается интервал Т1, а частота следования импульсов на выходе преобразователя увеличивается. Таким образом, в случае идеального интегрирования зависимость выходной частоты преобразователя от входного напряжения прямо пропорциональна.
Максимальная частота на выходе преобразователя определяется по формуле fмакс = fген/n где fген — частота генератора импульса; n — коэффициент деления делителя.
Длительность интеозала T0 при скважности сигнала на выходе делителя частоты, равной 2, составляет половину периода следования импульсов с максимальной частотой T0=1/2 fмакс. В этом случае форма сигнала на выходе интегратора становится треугольной (при меньшей частоте она пилообразная).
Принципиальная схема преобразователя дана на рис. 5. Усилитель УПТ и интегратор И выполнены соответственно на ОУ А1 и А2. При подаче на вход преобразователя постоянного напряжения положительной полярности сигнал поступает только на вход А.
При преобразовании постоянного напряжения отрицательной полярности или средневыпрямленного значения напряжения в цепях переменного тока используются оба входа Л и Б. В этом случае ОУ А1 работает в качестве сумматора напряжений, подаваемых по обоим входам. Так как в цепь отрицательной обратной связи включен конденсатор С1, каскад на ОУ А1 выполняет так-же функцию активного фильтра, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения. Переключатель S1.1 служит для корректировки результата показаний в зависимости от формы кривой переменного напряжения.
Рис. 5. Принципиальная схема преобразователя напряжение — частота
Управляющие ключи К.1 и К2 выполнены на транзисторах V5 и V6- различной проводимости. В течение интервала Т1, когда оба ключа замкнуты, на входы этих транзисторов через резисторы R20 и R21 подается положительное напряжение. В результате транзистор V5 закрыт, а транзистор V6 насыщен (потенциалы на их коллекторах близки к нулю).
Генератор импульсов ГИ собран на элементах D1.1 и D1.2. Частота его колебаний стабилизирована кварцевым резонатором 1 МГц. Элементы D1.3 — инвертор, D1.4 — пороговое устройство.
На микросхеме D2 типа К176ИЕ5 выполнены два делителя частоты. Первый из них содержит шесть двоичных разрядов (по схеме верхняя часть микросхемы: вход 2 — выход 5) и использован в преобразователе напряжение — частота. Коэффициент деления n1 = 64. Второй делитель содержит девять- двоичных разрядов (по схеме нижняя часть микросхемы: вход 9 — выход 1) с коэффициентом деления n2 = 512 и предназначен для снижения частоты кварцевого генератора 1 МГц до частоты 1953,125 Гц. Эта частота необходима для совместной работы с другими узлами прибора.